WDM系统测试及仪表

     信息产业部电信研究院   张成良  张海懿

概述
    随着国内多条干线WDM系统的开通，WDM系统测试和维护成为大家面临的一个实际问题，WDM系统是一种光域的模拟系统，可看作平行许多光通路，每个采用稍微不同的光波长，共享一种传输媒质——光纤的系统。它与SDH系统在测试参数和方法上有较大差异，除了常规数字系统的误码和抖动外，模拟量特别是光域的模拟量测量大大增加，例如光通道功率、中心波长、串音、光信噪比等。另外WDM仪表，特别是光谱分析仪、多波长计的应用也有一些新参数。
WDM系统中测试的物理量 
    在常规SDH系统中，主要是进行数字信号的性能测量，如误码、抖动性能等，监测的模拟量基本上限制在发送机的发送光功率和接收光功率等。而在WDM系统中，需要测试的模拟量就大大增加，如光信号波长、发送光功率、接收光功率和信号的光信噪比等，对光信号波长、光信噪比和串音的测试是WDM系统所特有的，而且在多个测试点还需要进行重复测试。WDM系统增加的主要测试参数有：
    波长中心频率和波长间隔：测量每个通路波长的精确值，以确定DFB激光器的漂移，保证相邻波长不发生串扰。
    光信噪比：确定光信号的传输质量，噪声的测量必须基于通路之间的噪声电平。
    串音：由于波分复用器／解复用器不完善带来的串扰，确定器件带来的通路间相互干扰。
    功率：各参考点合路的总功率、各路的功率。
    光监控通路，光监控通路的误码、抖动等。
    下面分别进行具体介绍，而对于与常规SDH系统类似或可参照的测试量则不再赘述。
2.1  通路中心频率和中心频率偏移
    WDM系统的一个重要特点是在光波分复用器处输入的信号均为固定波长的光信号，各个通路的信号波长不同，而且对中心频率偏移有严格规定，通路中心频率偏移定义为通路实际的中心频率与通路中心频率标称值的差值。如对于8×2.5Gb／s WDM系统，通路间隔选择200GHz，到寿命终了时的波长偏移不大于±20GHz。理想情况下，光信号的脉冲宽度应无限接近于0，但实际产生的脉冲都有一定的宽度，相邻两个通路如果波长偏移过大，就会造成通路间的串扰过大，即一个通路的脉冲边带串到另一个通路的脉冲边带上，使被串通路的信号光特性和功率等发生变化，造成系统OSNR下降，产生误码影响传输性能，因此通路中心频率成为WDM系统的一个重要的测量参数。通路中心频率定义为在该参考点测得的光信号的实际中心频率，在多个参考点都需要逐通路地进行测试。

    如图1所示，在图中的参考点已MPI-S、R'、S'、MPI-R和R都需要测量每个通路的中心波长，并与系统指标相比较是否相符。

——通路间隔指相邻波长间的频率差别（或波长差异），我国规范的WDM系统是等间距的系统。对于8×2.5Gb／s WDM系统，通道间隔为200GHz（1.6nm），而对于16×2.5Gb／s WDM系统，通道间隔为100GHz（0.8nm），相邻两波长中心频率之差就为通路间隔。
2.2  光信噪比（OSNR）
    光放大器是WDM系统的一个重要组成部分。EDFA在1545～1560nm波长范围的增益较平坦，EDFA输出的放大信号中有ASE噪声，即信号是叠加在ASE噪声上的，因此单纯测量每通路信号的光功率并不能完全反映系统的工作情况，有可能信号光功率很高，但ASE噪声也与它相当，实际上信号的劣化已很明显，但光功率反映不出来，所以在WDM系统中引入了光信噪比的概念。每通路信号的光信噪比定义为通路内信号功率与噪声功率的比值，即，S与N均在光有效带宽Δv内测量。光信噪比的定义是在Δv=0.1nm带宽内光信号功率和噪声功率的比值。光信号的功率一般取峰峰值，而噪声的功率一般取两相邻通路的中间点的功率电平。光信噪比是一个十分重要的参数，对估算和测量系统的误码性能和实际工程设计和维护有着十分重要的意义。
    OSNR在多个参考点都需要逐通路地进行测试，如图1所示，在图中的参考点MPI-S、R’、S'、MPI-R都需要测量每个通路的OSNR，监测其是否与系统指标相符。
2.3  光放大器和波分复用器件
    对光放大器需要进行测试的项目较多，主要有如下指标：
——输入功率范围；
——输出功率范围；
——工作带宽；
——小信号增益；
——饱和输出功率；
——噪声系数；
——EDFA平坦度。

    对光放大器的测试比较复杂，需要集成化平台，一般并不常见，而用分离设备搭设平台测试则误差过大，因此对光放大器的某些参数只能进行验证，根据给定的输入条件，观察光放大器的输出是否符合要求，这也是目前情况下较为现实的一种做法。其中实际测量较多的是EDFA的平坦度，因为级联EDFA的WDM系统很大程度上决定于光放大器的平坦度，比较平坦的光放大器，容易实现各通路的增益均衡，反之则需要复杂的系统设计。光放大器噪声系数也非常重要，对于WDM系统的光信噪比有着至关重要的影响。但该指标测量起来十分复杂，且随着输入功率的变化而改变，因而日常维护不需要测试。
    波分复用器件也是WDM系统引入的新器件，将不同光源波长的信号结合在一起的器件称为合波器。反之，经同一传输光纤送来的多波长信号分解为个别波长分别输出的器件称分波器，有时同一器件既可作分波器，又可以作合波器。对波分复用器的测试项目包括。
——插入损耗；
——隔离度；
——极化相关损耗；
——温度特性；
——通带特性（通路的3dB带宽和1dB带宽）。

    其中最为重要的指标是隔离度。该指标的大小对信道的串音水平有着直接影响。一般来说，相邻通路的隔离度应在25dB以上，非相邻通路的隔离度应在30dB以上。
    波分复用器和光放大器的测试相对来说比较复杂，涉及到器件的水平。一般的维护只对系统指标进行测试，而不会分离器件测试。
2.4  光监控通路
    光监控通路是WDM系统的一个重要部分，它传送的是WDM系统网管信息，因此这个通路的运行状况会直接影响到整个WDM系统的运行状况，对该通路进行测试是必须的。对光监控通路的测试项目主要包括发送光功率、发送波长、接收光功率、光谱特性和光监控通路的误码性能等，监控通路波长和监控通路的误码性能是比较重要的两个项目。其中对于采用G.704帧结构CRC-4校验的系统，可以实现在线的误码检测。
2.5 WDM系统的传输性能
    在WDM系统承载的SDH系统中，相对于WDM系统，SDH只是它的承载信号，因而当衡量WDM系统传输质量时，必须以SDH 2.5 Gb／s的信号作为标准，除了测试SDH支路155Mb／s电接口的指标外，系统必须增加对2.5Gb／s误码和抖动的测试。在电域上最好以2.5Gb／s的群路传送信号为标准。配备的误码仪必须可以进行2.5Gb／s的误码和抖动测试。仪表具有2.5Gb／s的光口，输出信号为满负载的2.5Gb／s信号。HP37718A可以输出16个VC-4级联的2.5Gb／s满负荷伪随机序列，使我们衡量WDM系统传输性能时更有说服力。主要增加的指标有：
——2.5Gb／s的BER性能；
——2.5Gb／s的输出抖动；
——2.5Gb／s的输入抖动容限。

    开放式WDM系统引入了波长变换器OTU，OTU应具有和SDH 2.5Gb／s再生中继器一样的抖动传递特性和输入抖动容限。这两项指标也是新增加的项目。
WDM系统测试仪表 
    WDM系统测试仪表有些与常规SDH系统是相同的，如误码仪用于测量单通路的误码性能和抖动性能等，示波器用于测量脉冲眼图。但是WDM系统的有些测试项目与SDH系统不同，这就决定了仪表有其特殊性，如用光谱仪和多波长计来评估光信号的质量。在详细介绍这两种仪表之前，有必要介绍一些仪表参数的定义。
    动态范围是指在强信号下测量弱信号的能力，即在特定带宽下同时测量比较强的光信号功率和相邻的比较低的ASE噪声的能力。例如，对于间隔10GHz的系统，仪表在测量光信号波长功率的同时，可以测量间隔0.4nm处比信号低30dB或35dB的ASE噪声电平。
    分辨率带宽：一般定义仪表为对单色测试信号的3dB响应带宽。分辨率带宽决定了仪表处理光通路间隔的能力。
   光灵敏度：定义为能定量测量的最小光功率。主要取决于仪表光检测器的水平。该值必须足够低，以测量光电器件的插入损耗和评估整个网络的信噪比。
　　3.1  多波长计
——多波长计多采用麦克尔逊干涉仪原理制造，它测量波长精度较高，绝对准确度可达0.005nm。特别适合于测量波长间隔小（100GHz或更小）的密集WDM系统，多波长计可以精确地确定DFB激光器的中心波长，以确认激光器是否正常工作。同时可以测量多通路的中心频率。它所测量的波长数目主要取决于干涉仪的物理精度和FFT（傅里叶变换）的能力，一般通路数在40～100左右，并且可以测量波长漂移。其缺点是动态范围小，测量OSNR时精度稍差，误差一般在1～2dB。但比起光谱分析仪一体积较小，操作比较方便。

——在WDM系统中测量通路中心频率和中心波长漂移时多采用多波长计，测量信号光功率电平时也可以使用。现在市场上商用化多波长计有HP 86120B和EXFO FTB-5320。表1是两种多波长计的性能比较。

表1   两种多波长计的性能比较

项   目
 HP86120B
 EXFO FTB-5320
 
波长范围（nm）
 700～1650
 1450～1650
 
波长精度（nm）
 0.005
 0.005
 
OSNR测试范围（0.1nm）（dB）
 ＞35
 ＞25
 
接收灵敏度（dBm）
 -40
 -30
 
电平测试范围（dBm）
 -40～+10
 -30～+10
 
电平测试精度（dBm）
 ≤0.5
 ≤0.5
3.2  光谱仪
——光谱分析仪是在实验室应用较多的仪表，它出现比较早，采用的技术比较多，有单光栅型、双光栅型，本来并不是专为WDM系统设计的仪表，WDM系统刚出现时，多用它测试信号波长和光信噪比。它的主要特点是动态范围高，一般厂家可达70 dB；灵敏度好，可以达到-90dBm；分辨率带宽小，一般＜0．1nm。它比较适合于测试OSNR，另外测量波长范围大，一般在600nm～1700nm。但测量中心波长时精度稍差；体积也较大，一般适合在实验室、机房中使用，也适合在工程开通、验收中使用。
——各参考点通路信号光功率、各参考点光信噪比、光放大器各个波长的增益系数和增益平坦度的测试可以采用光谱分析仪，它在测量单个波长的光功率时精度较高，而且测量光信噪比也更准确，但使用起来相对较复杂，需要设置的项目多一些，如在测量0SNR时需要设置滤波器的带宽为0．1nm。另外它和宽带光源相配合，还可以测量波分复用器的通带特性。
——HP公司用于WDM系统测试的光谱分析仪为HP86143A，Anritsu公司为MS9710B，W＆G公司的光谱分析仪为OSA-155。
结  论
    本文着重论述了WDM系统所特有的一些测试项目，如通路中心频率、光信噪比等，介绍了光谱仪和多波长计等新引入的测试仪表和相应的参数，并对各厂家的仪表性能进行了比较，但局限于篇幅，对具体的测量方法没有介绍。相信随着WDM系统在国内的广泛使用，这方面的经验会越来越多，人们也会越来越熟悉。